JP5694246B2

JP5694246B2 - 導波管接続構造、アンテナ装置およびレーダ装置

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Publication number: JP5694246B2
Application number: JP2012157720A
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Inventors: 城徹司; 本紘橋; 尾　林　秀　一; 林秀一尾
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Filing date: 2012-07-13
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Description

本発明の実施形態は、導波管接続構造、アンテナ装置およびレーダ装置に関する。

管軸方向が異なる2つの導波管線路を接続する導波管ベンドが知られている。従来の導波管ベンドは、接続する2つの導波管線路が、それぞれの電界面（E面）または磁界面（H面）が互いに平行になるように、これらの導波管線路を接続する。

誘電体基板に形成されたスルーホール列と、当該誘電体基板の両面に張られた銅箔とからなるポスト壁導波路（誘電体導波管、Substrate Integrated Waveguideなどとも呼ばれる）が知られている。ポスト壁導波路と導波管を接続する結合器として、ベンド構造を用いるものがある。

特開2010-68215号公報

上述した従来の導波管ベンド構造では、管軸方向が異なる二つの導波管線路のE面もしくはH面が互いに平行になるように配置される。しかしながら、一方の導波管線路のH面と、他方の導波管線路のE面が平行になるように配置が要求される場合もある。仮に、一方の導波管線路のH面と、他方の導波管線路のE面が平行になるように両者を結合すると、これらの導波管線路間で信号が結合できない。たとえば、一方の導波管線路からTE10モードの高周波信号を入れると、他方の導波管線路に対しては、この高周波信号は、管軸方向に電界成分を持つTMモードとなる。このため、この高周波信号は、他方の導波管線路に対しては高次モードとなって遮断され、結合できない。

この発明の一側面は、ある導波管線路の磁界面と、複数の導波管線路のそれぞれの電界面とが平行になるようにこれらの導波管線路を接続しつつ、当該ある導波管線路と当該複数の導波管線路間で信号を結合させることを目的とする。

本発明の一態様としての導波管接続構造は、第1導波管線路と、第2導波管線路と、第3導波管線路と、第4導波管線路とを備える。

前記第1導波管線路は、一対の電界面と一対の磁界面とを含む。

前記第2導波管線路は、一対の電界面と一対の磁界面とを含む。

前記第3導波管線路は、一対の電界面と一対の磁界面とを含む。

前記第4導波管線路は、一対の電界面と一対の磁界面とを含む。

前記第3導波管線路は、前記第3導波管線路の前記磁界面の一方に形成された第1結合窓と、前記第3導波管線路の前記電界面の一方に形成された第2結合窓と、前記第3導波管線路の前記電界面の他方に形成された第3結合窓と、前記第3導波管路の両端を閉塞する第1短絡面および第2短絡面と、を有する。

前記第1結合窓は、前記第1導波管線路の前記電界面が前記第3導波管線路の前記電界面と平行になるように、前記第1導波管線路の一端を前記第3導波管線路に結合する。

前記第2結合窓は、前記第2導波管線路の前記電界面が前記第1導波管線路の前記磁界面と平行になるように、前記第2導波管線路の一端を前記第3導波管線路に結合する。

前記第3結合窓は、前記第4導波管線路の前記電界面が前記第1導波管線路の前記磁界面と平行になるように、前記第4導波管線路の一端を前記第3導波管線路に結合する。

第1実施形態に係わる導波管接続構造の斜視図である。図1に示す構造の上面図である。磁界面および電界面の説明図である。第2実施形態に係わる導波管接続構造の斜視図である。図4の構造の上面図である。第3実施形態に係わる導波管接続構造の斜視図である。第4実施形態に係わる導波管接続構造の斜視図である。第5実施形態に係わる導波管接続構造の斜視図である。第6実施形態に係わるスロットアレーアンテナの例を示す図である。第7実施形態に係わるレーダ装置の一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本実施の形態について説明する。

（第1実施形態）
図1は、第1実施形態に係わる導波管接続構造の斜視図である。図2は、当該構造の上面図（z軸方向の上から見た図）である。

図1の導波管接続構造は、第1導波管線路101と、第2導波管線路102と、第3導波管線路103、第4導波管線路104とを備える。第2導波管線路102と第4導波管線路104の管軸方向は同じである。第2導波管線路102および第4導波管線路104の管軸方向（X軸方向）と、第3導波管線路103の管軸方向（Y軸方向）と、第1導波管線路101の管軸方向（Z軸方向）は、互いに直交している。

導波管線路101〜104はそれぞれ、一対の電界面（E面）と、一対の磁界面（H面）とにより囲まれている。図3に示すように、管軸方向に沿って幅の広い面がH面、狭い面がE面に相当する。導波管線路101〜104の電界面および磁界面は、たとえば銅などの金属板により形成されている。

第1導波管線路101の磁界面（H面）と、第2導波管線路102および第4導波管線路104の電界面（E面）とは、互いに平行である。また、第1導波管線路101のE面と、第3導波管線路103のE面とは、互いに平行である。

第1導波管線路101, 第2導波管線路102,および第4導波管線路104の両端は開口されている。

第3導波管線路103の両端は、図2に示すように、短絡面106A、106Bによって閉塞されている。なお、短絡面106Bは、第2導波管線路102および第4導波管線路104のそれぞれのE面の一方と、同一面をなすように連続している。

また、第3導波管線路103には、結合窓104A、104B、104Cが設けられている。

結合窓104Bは、第3導波管線路103のE面の一方に設けられている。第2導波管線路102の一端は、結合窓104Bを介して、第3導波管線路103と結合されている。このとき第2導波管線路102のE面が、第1導波管線路101のH面と平行になっている。つまり結合窓104Ｂは、第2導波管線路102のE面と、第1導波管線路101のH面とを平行に結合する。第2導波管線路102の他端は、高周波信号の入出力口となっている。

同様に、結合窓104Cは、第3導波管線路103のE面の他方に設けられている。第4導波管線路104の一端は、結合窓104Cを介して、第3導波管線路103と結合されている。このとき第4導波管線路104のE面が、第1導波管線路101のH面と平行になっている。つまり結合窓104Cは、第4導波管線路104のE面と、第1導波管線路101のH面とを平行に結合する。第2導波管線路104の他端は、高周波信号の入出力口となっている。

本例では、第2導波管線路102および第4導波管線路104と、第3導波管線路103とは物理的に一体形成されている。これらの一部または全部が一枚の金属板により折り曲げ形成されてもよいし、複数の金属板部材を接着して形成してもよい。本例では、第2導波管線路102および第4導波管線路104のH面と、第3導波管線路103のH面は、同じ高さで同一面をなすように連続している。第2導波管線路102および第4導波管線路104のH面と、第3導波管線路103のH面が、それぞれ違う高さであってもよい。第3導波管線路103は、第2導波管線路102および第4導波管線路104のそれぞれと、Hベンド構造をそれぞれ形成している。

結合窓104Aは、第3導波管線路103のH面（下側）に形成されている。結合窓104Aは、短絡面106Aに平行な辺のサイズが、短絡面106Aに垂直な辺よりも長くなっている。

第1導波管線路101の一端は、結合窓104Aを介して、第3導波管線路103と結合される。このとき、第1導波管線路101のE面と第3導波管線路103のE面とが互いに平行になっている。つまり、結合窓104は、第1導波管線路101のE面と第3導波管線路103のE面とを互いに平行に結合する。第1導波管線路101の一端は、結合窓104Aの形状に合わせるため、その開口が狭まっている。第1導波管線路101の他端は、高周波信号の入出力口となっている。

なお、結合窓104Ａのサイズを、第1導波管線路101の線路幅に合わせるのであれば、第1導波管線路101の開口を狭めなくてもよい。本例では第1導波管線路101と第3導波管線路103を別々に構成し、位置合わせにより結合しているが、第1導波管線路101と第3導波管線路103が、物理的に一体形成されてもよい。

図1の導波管接続構造は、第1導波管線路101と、第2導波管線路102および第4導波管線路104との間に、第3導波管線路103を介在させたことにより、第1導波管線路101から第2導波管線路102および第4導波管線路104へ高周波信号の伝達を可能としている。その動作を以下に示す。

第1導波管線路101からTE10モードの高周波信号を入れると、この高周波信号はTE20モード、TE40モードなどの反対称な電磁界の形を持つ高次モードとなる。このため、仮に第3導波管線路を設けず、第1導波管線路101の一端を、第2または第4導波管線路のH面に結合させた場合、この高周波信号は第2または第4導波管線路と結合せず、遮断される。これに対し、本実施例のように第3導波管線路103を介在させた場合は、第1および第3導波管線路のE面が互いに平行であるため、まず第1導波管線路からの高周波信号が第3導波管線路と結合される。第3導波管線路と結合された高周波信号は、図2に示すように、第3導波管線路103の短絡面106Aで、反射する。第3導波管線路103と、第2導波管線路102および第4導波管線路104とは、H面が互いに平行であるため、短絡面106Aで反射した高周波信号は、第2導波管線路102および第4導波管線路104のそれぞれと結合し、それぞれの開口へ送信される。以上の動作により、第1導波管線路101を流れる高周波信号が、第1導波管線路とE面が互いに平行でないように配置された第2導波管線路102および第4導波管線路104にも伝搬される。本導波管接続構造は、2分岐の電力分配器として動作する。

逆に、第2導波管線路および第4導波管線路からTE10モードの電磁波（高周波信号）を入れた場合も上記と逆の動作によって、第3導波管線路を介して、第1導波管線路へそれぞれ結合（電力合成）されることとなる。仮に第3導波管線路を設けない場合、第2導波管線路および第4導波管線路から入力された高周波信号は、第1導波管線路に対しては、管軸方向に電界成分を持つTMモードとなり、高次モードとして遮断され、第1導波管線路とは結合しない。

以上、本実施形態によれば、第1導波管線路101と、第2導波管線路102および第2導波管線路104との間に、第1導波管線路101とE面が平行で、第2導波管線路102および第4導波管線路104とH面が平行である第3導波管線路103を介在させたことにより、第1導波管線路101から第2導波管線路102および第4導波管線路104への高周波信号の伝達が可能となる。

（第2実施形態）
図4は、第2実施形態に係わる導波管接続構造の斜視図である。図5は当該構造の上面図である。図1および図2と同一名称の要素には同一の符号を付して、変更された部分を除き、重複する説明を省略する。

第1実施形態と異なる主な点は、第5導波管線路105が追加された点にある。第3導波管線路203の短絡面106Bには、第4結合窓104Dが設けられている。

第5導波管線路105は、一対の電界面（E面）と、一対の磁界面（H面）とにより囲まれている。第5導波管線路105の両端は開口されている。第5導波管線路105の一端は、第4結合窓104Dを介して、第3導波管線路203と結合されている。第5導波管線路105のH面が、第3導波管線路103のH面と平行である。また、第5導波管線路105のE面が、第1導波管線路のE面と平行である。第5導波管線路105の他端は、高周波信号の入出力口となる。

第1導波管線路101から入力された基本モードTE10モードの高周波信号は、第1の実施形態と同じ原理により、第3導波管線路を介して、第2および第4の導波管線路と結合し、さらに本実施形態では、第5導波管線路にも結合する。つまり、図5に示すように、第3導波管線路の短絡面106Aで反射した信号は、第3導波管線路とH面が平行である第2、第4、第5の導波管線路にそれぞれ結合する。つまり、信号は3分岐されて、第2、第4，第5の導波管線路の開口へ伝送される。よって、本構造は、3分岐の電力分配器として動作する。

以上、本実施形態によれば、第1導波管線路101と、第2導波管線路102および第2導波管線路104との間に、第1導波管線路101とE面が平行で、第2導波管線路102、第4導波管線路104および第5導波管線路105とH面が平行である第3導波管線路103を介在させたことにより、第1導波管線路101から第2導波管線路102、第4導波管線路104および第5導波管線路105への高周波信号の伝達が可能となる。

（第3実施形態）
図6は、第3実施形態に係わる導波管接続構造の斜視図である。

この導波管接続構造は、図1に示した第2導波管線路および第4導波管線路のそれぞれの開口（他端）に、それぞれ第1電力分配器301および第2電力分配器302を結合したものである。

電力分配器301は、2つの第6導波管線路311Ａ、311Ｂと、第2導波管線路102の他端を第6導波管線路311Ａ、311Ｂに分岐する第1分岐構造（第1導波管分岐構造）312とを含む。第1分岐構造312には、反射を抑制するための反射抑圧ポスト201ａ、201ｂ、201ｃが配置されている。

第6導波管線路311Ａ、311Ｂおよび第1分岐構造312は、互いにH面が平行に結合されている。したがって第2導波管線路102から第1分岐構造312に入力された高周波信号は、第6導波管線路311Ａ、311Ｂにそれぞれ分岐して結合される。すなわち当該高周波信号は2つに電力分割される。

第2電力分配器302も電力分配器301と同様の構成を有する。すなわち、第2電力分配器302は、2つの第7導波管線路331Ａ、331Ｂと、第4導波管線路104の他端を第7導波管線路331Ａ、331Ｂに分岐する第2分岐構造（第2導波管分岐構造）332とを含む。第2分岐構造332には、反射を抑制するための反射抑圧ポスト231ａ、231ｂ、231ｃが配置されている。

第7導波管線路331Ａ、331Ｂおよび第2分岐構造332は、互いにH面が平行に結合されている。したがって第4導波管線路104から第2分岐構造332に入力された高周波信号は、第7導波管線路331Ａ、331Ｂにそれぞれ分岐して結合される。すなわち当該高周波信号が2つに電力分割される。

以上、本実施形態によれば、第1導波管線路から、第2および第4導波管線路を通じて、高周波信号を4分岐できる。

（第4実施形態）
図7は、第4実施形態に係わる導波管接続構造の斜視図である。

この導波管接続構造は、図2に示した第2導波管線路、第4導波管線路および第5導波管線路のそれぞれの開口（他端）に、それぞれ第1電力分配器301、第2電力分配器302および第3電力分配器303を結合したものである。

第1および第2電力分配器301、302は、第3実施形態と同様であるため説明を省略する。

第3電力分配器303は、2つの第8導波管線路351A、351Bと、第5導波管線路105の他端を第8導波管線路351Ａ、351Ｂに分岐する第3分岐構造（第3導波管分岐構造）352とを含む。第3分岐構造352には、反射を抑制するための反射抑圧ポスト241ａ、241bが配置されている。

第8導波管線路351Ａ、351Ｂおよび第3分岐構造352は、互いにH面が平行に結合されている。したがって第5導波管線路105の他端から第3分岐構造352に入力された高周波信号は、第8導波管線路351Ａ、351Ｂにそれぞれ分岐して結合される。すなわち第1導波管線路101から第5導波管線路105へ結合された高周波信号が、2つに電力分割される。

以上、本実施形態によれば、第1導波管線路から、第2、第4および第5導波管線路を通じて、高周波信号を6分岐できる。

（第5実施形態）
図8は、第5実施形態に係る導波管接続構造の斜視図である。

この構造は、図7に示した第4実施形態と同様の構成を、誘電体基板を用いて実現したものである。

誘電体基板501は、両面が金属膜501Ａ、501Ｂで覆われている。金属膜はたとえば銅箔膜である。誘電体基板501には、金属膜501Ａ、501Ｂを貫通するスルーホールが間隔を開けて、配置されている。これらの間隔を開けて配置されたスルーホールの列が、第2導波管線路102の電界面と、第3導波管線路103の第1および第2短絡面と、第3導波管線路103の電界面と、第4導波管線路104の電界面と、第5導波管線路105の電界面を形成する。なおスルーホールのうち、201a,201b,201c,231a,231b,231c,241a,241bの参照が付されたものは、反射抑圧ポストである。参照が何ら付されていないスルーホールが、上記の電界面および第1および第2短絡面を形成するスルーホールに相当する。

また、第2導波管線路102の磁界面と、第3導波管線路103の磁界面と、第4導波管線路104の磁界面と、第5導波管線路105の磁界面は、それぞれの電界面をなすスルーホールで囲まれた金属膜501Ａ、501Ｂの部分によって形成される。

このようにスルーホール列と金属膜とで構成された導波管線路は、ポスト壁導波路、あるいは誘電体導波管（Substrate Integrated Waveguide）などと呼ばれる
なお、第1導波管線路101を結合する結合窓104Aは、誘電体基板の金属膜501Ｂに形成された開口として、形成されている。

誘電体基板を用いて導波管接続構造を構成することで、広帯域に反射特性を改善できる。

本実施形態では、図7と同様の構造を誘電体基板で実現する例を示したが、図1、図4および図6の構造も同様にして、誘電体基板で実現できる。

（第6実施形態）
図9は、図7または図8に示した導波管接続構造に接続されるスロットアレーアンテナを示す。このスロットアレーアンテナを、当該導波管接続構造に接続することにより、アンテナ装置が形成される。

スロットアレーアンテナは、6つの導波管線路901A、901B、901C、901D、901E、901Fと、各導波管線路の表面にそれぞれ形成されたスロット902とを具備する。これらの導波管線路は、誘電体基板に形成されるポスト壁導波線路であってもよい。導波管線路901A〜901Fの一端（下側）が、図7または図8に示す第1電力分配器301、第3電力分配器303、第2電力分配器302に接続される。

具体的に、導波管線路901A、901Bの一端が、第1電力分配器301における第6導波管線路311Ａ、311Ｂに接続される。導波管線路901C、901Dの一端が、第3電力分配器303における第8導波管線路351Ａ、351Ｂに接続される。導波管線路901E、901Fの一端が、第2電力分配器302における第7導波管線路331A、331Bに接続される。

電力分配器301、303、302から導波管線路901A〜901Fに入力された高周波信号は、スロット902を介して、空間に電波として放射される。

本実施形態では、図7または図8に示した導波管接続構造に接続される要素数6のスロットアレーアンテナを示した。図6に示した導波管接続構造に、要素数4のスロットアレーアンテナを接続するアンテナ装置も、同様にして構成可能である。

（第7実施形態）
図10は、本実施形態にかかるレーダ装置の受信回路の構成例を示す。このレーダ装置は、モノパルス方式で測角を行うレーダ装置の一例である。

レーダ装置は、アンテナ1001a、1001b、1001c、1001d、RFモジュール部1002、AD変換部1003、モノパルスDBF（Digital Beam Forming）部1004、を含む。

アンテナ1001a〜100dの1つ1つが、第6実施形態で述べたアンテナ装置（導波管接続構造とスロットアレーアンテナ）に対応する。各アンテナとRFモジュール部1002の接続部が、第1導波管線路部101にそれぞれ対応する。

RFモジュール1002は、サブアレーアンテナであるアンテナ1001a、1001b、1001c、1001dで受信した信号のダウンコンバートを含む処理を行い、処理の結果をAD変換部1003に送る。
AD変換部1003は、RFモジュールより送られた信号をアナログディジタル変換することによりディジタル信号を生成し、生成したディジタル信号をモノパルスDBF部1004に送る。
モノパルスDBF部1004は、AD変換部1003から送られたディジタル信号を用いて目標物の位置を推定する。目標物の位置推定は、公知の技術を用いるため、詳細な動作についての説明は省略する。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Claims

一対の電界面と一対の磁界面とを含む第1導波管線路と、
一対の電界面と一対の磁界面とを含む第2導波管線路と、
一対の電界面と一対の磁界面とを含む第3導波管線路と、
一対の電界面と一対の磁界面とを含む第4導波管線路と、
を備え、
前記第3導波管線路は、
前記第3導波管線路の前記磁界面の一方に形成された第1結合窓と、
前記第3導波管線路の前記電界面の一方に形成された第2結合窓と、
前記第3導波管線路の前記電界面の他方に形成された第3結合窓と、
前記第3導波管路の両端を閉塞する第1短絡面および第2短絡面と、を有し、
前記第1結合窓は、前記第1導波管線路の前記電界面が前記第3導波管線路の前記電界面と平行になるように、前記第1導波管線路の一端を前記第3導波管線路に結合し、
前記第2結合窓は、前記第2導波管線路の前記電界面が前記第1導波管線路の前記磁界面と平行になるように、前記第2導波管線路の一端を前記第3導波管線路に結合し、
前記第3結合窓は、前記第4導波管線路の前記電界面が前記第1導波管線路の前記磁界面と平行になるように、前記第4導波管線路の一端を前記第3導波管線路に結合する、
導波管接続構造。
一対の電界面と一対の磁界面とを含む第5導波管線路をさらに備え、
前記第1短絡面および第2短絡面の一方に、第4結合窓が形成され、
前記第4結合窓は、前記第5導波管線路の電界面が前記第1導波管線路の前記電界面と平行になるように、前記第5導波管線路の一端を前記第3導波管線路に結合する
請求項1に記載の導波管接続構造。
複数の第6導波管線路と、
複数の第7導波管線路と、
前記第2導波管線路の他端を前記第6導波管線路に分岐する第1導波管分岐構造と
前記第4導波管線路の他端を前記第7導波管線路に分岐する第2導波管分岐構造と、
を備えた請求項1または2に記載の導波管接続構造。
複数の第6導波管線路と、
複数の第7導波管線路と、
複数の第8導波管線路と、
前記第2導波管線路の他端を前記第6導波管線路に分岐する第1導波管分岐構造と
前記第4導波管線路の他端を前記第7導波管線路に分岐する第2導波管分岐構造と、
前記第5導波管線路の他端を前記第8導波管線路に分岐する第3導波管分岐構造と
を備えた請求項2に記載の導波管接続構造。
前記第2導波管線路の前記電界面と、前記第3導波管線路の前記第1および第2短絡面と、前記第3導波管線路の前記電界面と、前記第4導波管線路の前記電界面は、両面が金属膜で覆われた誘電体基板に形成されたスルーホール群によって形成され、
前記第2導波管線路の前記磁界面と、前記第3導波管線路の前記磁界面と、前記第4導波管線路の前記磁界面と、前記第5導波管線路の前記磁界面は、前記第2導波管線路、前記第4導波管線路および前記第5導波管線路のそれぞれの電界面を形成する前記スルーホールで囲まれた前記金属膜の部分によって形成される
請求項１ないし4のいずれか一項に記載の導波管接続構造。
請求項3ないし5のいずれか一項に従った導波管接続構造と、前記導波管接続構造に接続されたスロットアレーアンテナとを備えたアンテナ装置。
請求項6に従った複数のアンテナ装置と、
前記複数のアンテナ装置で受信した信号を周波数変換して変換信号を得るダウンコンバートを含む処理を行うRFモジュール部と、
前記変換信号をアナログディジタル変換してディジタル信号を得るアナログディジタル変換部と、
前記ディジタル信号を用いて、目標物の位置を推定するモノパルスDBF部と、
を備えたレーダ装置。